化學與材料科學 - 港城大彭詠康課題組 JPCL:從原子視角洞察Fe3O4納米粒子作為過氧化物模擬酶的活性爭議及其與辣根過氧化物酶的比較－鑽石舞台

點擊藍字關注我們

Gao等人於2007年首次報道Fe3O4納米顆粒可以模擬辣根過氧化物酶(HRP)並根據米氏(Michaelis-Menten)參數發現Fe3O4可以提供更好的活性(Nat. Nanotechnol. 2007, 2, 577−583)。此後，各種納米粒子作為過氧化物模擬酶被廣泛地應用於許多重要領域。鑑於沒有統一的衡量標準來評判這些過氧化物納米酶的性能，Jiang等人定義了過氧化物納米酶的催化常數(kcat)為「kcat_P= Vmax/[P]」（[P]是納米酶顆粒的摩爾濃度，Vmax指最大反應速率），使用該衡量指標，可以得出Fe3O4比HRP活性更高(Nat. Protoc. 2018, 13, 1506−1520)。有趣的是，Ji等人最近實驗結果顯示Fe3O4的過氧化物模擬酶活性相比於HRP幾乎可以忽略不計(Nat. Catal. 2021, 4, 407−417)；Gumpelmayer等人也認為Fe3O4沒有過氧化物模擬酶活性(Angew. Chem., Int. Ed. 2018, 130, 14974−14979)，這些發現和過去十年的研究結論明顯相悖。鑑於Fe3O4是此領域最具有代表性的納米酶之一，解決上述研究分歧對於未來過氧化物模擬酶的設計意義重大。

近日，香港城市大學彭詠康課題組從原子視角分析了這個爭議，並提出了解決方案。通過追溯HRP的工作原理以及kcat的定義，發現這些分歧的起因是kcat公式中對於分母—酶濃度的表示方式各不相同。在生物酶領域中，kcat指單個活性位點單位時間內轉化為產物的底物分子數，比如具有單個鐵卟啉活性單元的HRP分子，一摩爾的HRP含有一摩爾的鐵卟啉，其kcat等於Vmax除以HRP的摩爾濃度。後來這個計算方式也被廣泛地應用在過氧化物納米酶的研究中。但是，與HRP不同的是納米酶活性位點數量不僅僅與[P]相關，因此直接應用此公式會得到一些錯誤的結論。具體而言，對於給定的納米酶，Vmax不僅與[P]相關，也與每個顆粒的表面積(SNP)、單位表面積的位點的密度(A)有關。以300 nm的Fe3O4為例，kcat_Fe= Vmax/[Fe]，[Fe]=[P]×SNP×A，每個300 nmFe3O4表面大約3.7×106個鐵原子活性位點，而每個HRP只有一個鐵卟啉活性位點，因此一個Fe3O4顆粒具有的活性位點數遠遠大於一個HRP所具有的。這也就解釋了為什麼只考慮kcat_P= Vmax/[P]計算時，Fe3O4的活性可以高於HRP。有鑑於此，作者建議公式中的[P]應包含所有顆粒表面活性原子的濃度來公平合理地對比納米酶的活性。

此外，該工作根據 kcat_Fe重新比較了文獻中不同尺寸的Fe3O4活性，有趣的是：如示意圖2所示，大顆粒Fe3O4的kcat_Fe比小顆粒Fe3O4高兩個數量級左右，這一現象和普遍的認知（納米催化劑粒徑越小活性越高）相反。作者認為這一反差起因於大顆粒Fe3O4的多晶性質，有一些高活性的Fe原子存在於多晶Fe3O4的表面晶界處。為進一步證明這一觀點，作者製備了多晶Fe3O4（p-Fe3O4）與商業化單晶Fe3O4（s-Fe3O4）進行對比和探討。作者使用TEM, SEM, XRD等技術表徵s-Fe3O4和p-Fe3O4的形貌，尺度，結構等，通過材料對特徵底物TMB催化氧化前後的吸光度變化來進行性能的測試和比較，通過米氏方程研究s-Fe3O4和p-Fe3O4催化的動力學過程，發現兩種材料的kcat_Fe存在大約兩個數量級的差異。基於本課題組之前對過渡金屬氧化物作為過氧化物酶的機理研究(ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 22728−22736)：表面低價態活性金屬原子與H2O2的氧化還原反應是決定酶促活性的關鍵。對Fe3O4而言，表面Fe(II)的數量決定了所產生的OH自由基和被氧化TMB的多寡，因此表面Fe(II)的含量與所獲得的Vmax正相關。相比之下表面Fe(III)與H2O2的氧化還原低了至少三個數量級，不僅對酶促反應的Vmax沒有幫助，反而在kcat_Fe的分母[Fe]中有一定的占比。根據上述機理，作者提出s-Fe3O4和p-Fe3O4的活性差異是由於這兩種材料表面活性Fe(II)和惰性Fe(III)的不同所導致的。作者接下來使用XPS,TPO等測試驗證了這一猜想，得出了s-Fe3O4和p-Fe3O4表面Fe的分布情況和化學狀態確實非常不同，即p-Fe3O4具有更高的Fe(II)/Fe(III)比例，並且其表面晶界處的Fe(II)具有更高的反應活性。本工作從原子水平的角度闡述了當前研究過氧化物模擬酶活性存在矛盾的根本原因，提供了一個更加合理的評價過氧化物酶活性的方法，對設計高效過氧化物模擬酶有指導性意義。